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1、0课程特点、学习方式及主要内容钢铁冶金实验技术是钢铁冶金专业一门重要的专业技术课，主要讲授钢铁冶金领域所涉及到的实验设计方法和 数据处理方法、典型实验的基本原理、方法和设备操作技能 等。从完整的教学出发，需辅以相应实验训练，由于我们条 件有限，加上课时少，实验训练不开。另外，实验设计和数 据处理方法在冶金工程实验技术课中已开，本课也略去。本课主要讲授1高温冶金实验、2冶金模拟实验、3物相分析、4冶金熔体及散装料物性检测以及5连铸坯检测等几 个方面的内容。学习过程要掌握基本实验原理和研究方法。1 11 高温冶金实验冶金实验大多数在高温下进行，本章介绍高 温冶金实验技术和研究方法以及高温冶金实验的
2、实例 。 1.1高温实验炉 1.1.1 电阻炉电阻炉是将电能转换成热能的装置。电阻炉 设备简单、易于制作、温度和气氛容易控制，在实验 室使用最多。当电流I通过具有电阻R的导体时，经过 t时间便可产生热量Q：Q0.24I2Rt 当电热体产生的热量与炉体散热达到平衡时 ，炉内即可达到恒温。2 2(1)电阻炉结构根据用途不同，实验室用的电阻炉，有竖式、井 式、卧式管状炉、箱式炉等，其基本结构大致相同。 图1-1为竖式电阻炉的结构，主要由以下6部分组成：(1)电热体：用于加热的热电材料(2)电源引线(3)炉管：刚玉，放置试样(4)炉壳(5)炉衬：保温材料(6)支架图1-1. 竖式电阻炉 3 34 4(
3、2)电热体又称电热元件，把电能转化为热能的一类功能材 料，是电阻炉内核心部件，电热体在很大程度上决定 炉子的工作能力和寿命。表征电热元件电性能的主要 参数有电阻系数和电阻温度系数。电阻系数：20下，1m长度1mm2截面材料所具有 的电阻值，mm2/m电阻温度系数：表征电阻值随温度的变化程度， -1电热材料可分为金属和非金属两类，如下：A)金属电热体金属电热体通常制成丝状，缠绕在炉管上作为加 热元件，常用的电热丝有： 5 5铬镍合金丝可在1000以下的空气环境条件下 长期使用。铁铬铝合金丝使用温度在1200以下，可以在 氧化气氛下（空气）使用 。 铂丝和铂铑丝铂丝使用温度在1400以下，铂 铑则
4、可用到1600。能在氧化气氛（空气）中使用。钼丝Mo的熔点高，长期使用温度可达1700 ，但Mo在高温氧化气氛中可生成氧化钼升华，因而仅能在高纯氢、氨分解气或真中使用。6 6图1-2. 硅碳电热元件及规格符号a-硅碳棒; b-单螺旋硅碳管; c-双螺旋硅碳管 d-硅碳管B)非金属电热体非金属电热体通常做 成棒状或管状，作为较高 温度的加热元件，常用的 非金属电热体有如下三种 ：硅碳电热体SiC 电热元件在氧化气氛下能 在1400以下长期工作，图1-2是不同形状的 SiC电热元件，棒状SiC常 用于箱式电阻炉（也称为 马弗炉），管状SiC用于 管式电阻炉。7 7硅钼电热体MoSi2电热元件一般做
5、成I或U型，如图1-3所示。这种电热体可在氧化气氛中1700以下使用。图1-3.二硅化钼加热元件 a-I型; b-U型 8 8石墨电热体石墨通常加工成管状，用于碳管炉（也称为汤曼炉）电热元件，也可做成板状或其它形状。 石墨电热体在真空或惰性气氛中使用温度可达 2200，一般在1800以下使用。石墨耐急冷急热 ，配用低电压大电流电源，能快速升温。但石墨在 高温下容易氧化，需在保护气氛（Ar、N2）中使用 。9 9钢铁冶金实验室高温管式炉： 技术参数 型号：SKL18-80250-12-BLL 额定功率：12KW 额定电压：380V 相数：2相 加热元件：铬酸镧（高温）或 MoSi2 额定温度：1
6、750 最高温度：1780 控制方式：连续式 控制过程：40段时间程序控制 炉膛尺寸：80250 外形尺寸：6501650 控制精度：1 空炉升温时间：9H 功能说明 采用氧化铝空心球为耐火炉衬，氧化铝聚轻砖为保温材料，具有耐高温， 保温好等优点； 温度测量：双铂铑热电偶； 控制仪表为导电FP93型，段数多，精度高，升温过程平滑无波动； 触发器为国产智能型，具有光柱指示，60s软启动，可保护负载避免瞬间 大电流冲击，提高加热元件使用寿命； 执行元件采用进口MCC模块,体积小,性能可靠,更换方便,运行无噪音； 炉管选用优质99刚玉管，耐高温，致密性好。 密封选用不锈钢法兰水冷，可进行气氛控制或抽
7、真空。 炉底传动系统为电动丝杠，可方便物料的取放。1010图1-4.感应炉的基本电路 1.1.2 感应炉感应炉是利用电磁 感应在被加热的金属内部 形成感应电流来加热和熔 化金属，感应炉的基本电 路如图1-4所示 。感应线圈是用铜管绕 成的螺旋形线圈，铜管通 水冷却。交变电流通过感 应线圈时使坩埚中的金属 料因电磁感应而产生电流 ，感应电流通过坩埚内的 金属料时，产生热量，可 将金属熔化。 1111在电磁力的作用下，坩埚内已熔化的钢液将产生一定规律的运动（电磁搅拌）。钢液的运动可带 来一些有益和有害的作用。有益作用有：均匀钢液温度；均匀钢液成份；改善反应动力学条件。有害作用有：冲刷炉衬，加剧炉衬
8、侵蚀；增加空气中氧对钢液的氧化；将炉渣推向坩埚壁，使壁厚增加 ，降低了电效率。1212使钢液产生电磁搅拌的电磁力大小可由下式计算：F KP/ 式中： P炉料吸收的功率，Wf 电流频率，HzK常数电磁搅拌的强弱与电流频率的平方根成反比。1313根据电流频率，感应炉可分为以下三种： a）工频感应炉以工业频率的电流（50或60赫兹）作为电源的感应电炉， 容量一般为0.520吨。它是一种用途比较广泛的冶炼设备。 b）中频感应炉电源在15010000赫兹范围内的感应炉称为中频感应炉， 容量可以从几kg到几t。中频炉的电源设备有中频发电机和可控 硅变频器。中频炉应用广泛，大部分冶金实验室都配备有5 150
9、公斤的中频炉。 c）高频感应炉使用的电源频率在10300千赫兹，所用电源为高频电子管 振荡器、可控硅变频器或高频发电机，以产生高压高频率交流 电供高频炉使用。高频炉受电源功率限制，主要用于实验室。 作为科研试验用的高频炉容量通常仅有几百克。高频炉电源设 备复杂，工作电压高，安全性差，逐步被中频感应炉所代替。1414图1-5. 容量10的实验室真空感应炉 1-炉壳；2-坩埚；3-多孔塞；4-水冷管5-金属取样和温度测量装置； 6-观察孔；7-转 子流量计；8、9-气体净化器；10-气瓶d）真空感应炉 用来进行真空冶炼的设备 。真空炉的电源设备与中 频感应炉基本相同，感应 圈和坩埚部分被放在能够
10、密封的炉壳内（如图1-5 所示），由真空泵抽气后 ，真空度可达到1.34- 0.134Pa范围内。国产真 空感应炉容量为101500 公斤。真空炉的设备和操 作都比较复杂，可以在真 空下加料、取样和铸锭， 一般仅在进行特殊要求的 钢种试验时才使用。15151616电磁感应的原理十分重要，当前利用电磁技术发展电磁冶金是钢铁冶金的重要进行 和钢质量提高的重要手段。如电磁连铸，在结 晶器、中间包甚至二冷及其末端施加电磁搅拌 器，以均匀温度、均匀成分，达到均匀钢液的 凝固过程，减少偏析和均匀组织。特别对于一 些合金元素含量高或者碳含量高的钢种，基本 需要通过这种手段来控制偏析现象。1717图1-6.
11、等离子电弧炉1-等离子发生器;2-炉顶密封部分; 3-底部电极;4-倾出口1.1.3 其它高温炉 (1)等离子电弧炉等离子炉是用电弧放电加热气体以形成高温等离子 体作为热源进行熔炼或加热 的电炉。等离子电弧炉由等离子枪、炉体及直流电源三部分 组成，如图1-6所示。1818等离子体等离子体：当气态原子获得一定能量时，其 最外层电子脱离原子核的吸引成为自由电子，原子则 成为正离子，这种现象叫做气体的电离。自由电子、 正离子以及气体的原子和分子等组成的混合体叫做等 离子体。用于产生等离子体的装置称为等离子发生器，也叫等离子枪。当气体（常用Ar气）通过等离子枪 内电弧区时，被电离成等离子体，从喷口高速
12、喷出， 喷出后的等离子体又极快复合成分子状态而放出能量 。氩弧等离子流的温度能达2万以上。1919等离子体发生器有两种(见图1-7)(a) 一种是等离子枪中只有一 个负电极，而正电极是用 被加热和熔化的金属充当， 这种方式称为转移弧。(b)另一种是发生器本身就具有 正负两极，极间产生电弧， 这种电弧又被等离子气体带 出形成等离子体火炬，这种方式称为非转移弧；l转移弧等离子炉可用于金属熔 炼;l非转移弧炬亦称为等离子体气 体加热器，可用于加热气体或 加热金属和钢液。图1-7.两类等离子弧发生器a-转移弧; b-非转移弧2020图1-8. 电子束熔炼原理示意图 (2)电子束炉电子束加热的原理将是高
13、 速电子流轰击被加热金属表面， 将它的动能转化为热能，从而金 属被加热、熔化并流入水冷铜模 内。图1-8是电子束熔炼原理示 意图。熔炼在10-110-3Pa的真空 度下水冷铜坩埚(结晶器)内进行 ，可以有效避免金属液被耐火材 料污染，因此电子束熔炼为一些 金属材料，特别是难熔金属提供 了一种有效地精炼手段。实验室 电子束加热已成功用于区域精炼 和生产单晶。 2121图1-9. 悬浮熔炼炉(3)悬浮熔炼炉悬浮熔炼炉又称为无坩埚熔 炼炉，装置如图1-9所示。当悬浮线圈通入交流电后 产生一个高频磁场，如果有一 个导体（金属试样）在这个磁 场中，由于感应作用在金属内 部产生感应电流，同时也产生 一个磁
14、场，其方向与悬浮线圈 产生的磁场相反，从而产生一 个斥力使导体悬浮于空间。悬浮熔炼可以避免坩埚材 料产生的污染，主要用于实验 室的小型纯金属熔炼研究，也 可用于冶金反应平衡研究。2222图1-10.冷坩埚熔炼炉(4) 冷坩埚熔炼炉冷坩埚熔炼是一种采 用水冷分瓣铜坩埚对物料 进行真空感应熔炼的方法 。典型的冷坩埚熔炼炉结 构如图1-10所示。 铜坩埚分瓣的目的是 为了避免或减弱导电铜坩 埚对电磁场产生屏蔽作用 ；水冷的目的是为了使 坩埚壁温度保持在冷态， 避免熔池中熔料与坩埚发 生物理和化学反应。23231.2 温度的测量和控制在冶金高温实验中，准确的温度测量和控制是必不可少的。工业上测量温度的
15、方法分二类l接触式测温（如热电偶）-温度传感元件要紧靠被测物体或直接置于温度场中；l非接触式测温（如光学高温计）-利用被测物体的热辐射或辐射光谱分布随温度的变化来测量物体温度的。 24241.2.1热电偶1.2.1.1热电偶的工作原理在一个由两种不同金属导体A和B组成的闭合回路 中，当此回路的两个接点保 持在不同温度t1和t0时（见 图1-11）,只要两个接点有温 差，回路中就会产生电流， 即回路中存在一个电动势， 这就是“赛贝克温差电动势 ”，简称“热电势” 图1-11. 塞贝克效应示意图2525根据热电势原理，则由导体A、B可组成一对热电偶。接点1通过焊接在一起，工作时将它置于被测温的场所，故称为工作端（热端）。接点2 要求恒定在一定温度下，称为自由端（冷端）。常用的标准热电偶有：热电偶名称 极性 化学成分 使用温度 ()长期 短期铂铑10-铂 Pt90%，Rh10% 1300 1600PtRh10-Pt Pt100% 铂铑30-铂铑6 Pt70%，Rh30% 1600 1800PtRh30-PtRh6 Pt94%，Rh6%2626表1-5 铂铑10铂热电偶分度表（自由端温度为0） 工作端 0 1
